專利名稱：一種高強或超高強鋼激光—電弧復(fù)合熱源焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出的一種新的高強或超高強鋼激光一電弧復(fù)合熱源焊接方法，屬于高 強或超高強鋼焊接技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到能明顯降低高強或超高強鋼焊接中冷裂紋 開裂傾向及焊前預(yù)熱溫度的激光一電弧復(fù)合熱源焊接方法。
技術(shù)背景-
眾所周知，大多數(shù)高強或超高強鋼均具有較高的淬硬傾向，常規(guī)弧焊等焊接方 法在焊接高強或超高強鋼時，焊縫金屬易產(chǎn)生冷裂紋，為防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生， 焊前需要對待焊工件進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度的高低主要取決于高強鋼的化學成分、強 度等級、母材厚度以及焊接結(jié)構(gòu)等。 一般而言，母材的碳當量及強度等級越高、母 材厚度越大，焊前的預(yù)熱溫度就越高。盡管焊前預(yù)熱處理能改善焊接接頭的冷裂紋 敏感性，但是卻帶來一系列問題。 一方面，焊前預(yù)熱使得焊接工藝變得復(fù)雜，降低 了焊接效率；另一方面，經(jīng)高溫預(yù)熱后的工件惡化了工人的操作環(huán)境；再者，對于 某些形狀復(fù)雜或尺寸較大的工件無法進行有效的預(yù)熱處理，這樣對焊接工作帶來較 大的困難。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服背景技術(shù)中高強或超高強鋼焊接中存在的困難，本發(fā)明提出一種不需
要預(yù)熱或者采用低預(yù)熱處理的高強或超高強鋼激光一電弧復(fù)合熱源焊接方法。
該焊接方法的技術(shù)方案是 1、 一種高強或超高強鋼激光一電弧復(fù)合熱源焊接方法，其特征在于，
1) 當激光功率超過800W后，激光束2的熔池產(chǎn)生"激光匙孔"，熔池金屬的流
動性增加；
2) 沿焊接方向采用激光束2在前電弧3在后的復(fù)合方式，適當加大激光與電弧 之間的距離，將光絲間距h控制在3-7mm，這樣復(fù)合熱源形成的熔池被拉長， 熔池金屬的凝固變緩；
3) 采用電弧焊槍4與水平面夾角9為45° 60° ;
在以上各因素共同作用下，復(fù)合熱源的熔池尺寸增加，熔池產(chǎn)生"浪涌現(xiàn)象"， 造成熔池金屬劇烈振蕩，結(jié)果使得熔池金屬的冷卻速度減緩、焊縫金屬組織細化，
從而降低了高強或超高強鋼焊接過程中焊縫金屬的開裂傾向。
2、 根據(jù)上述的焊接方法，復(fù)合熱源所用的激光器可以是C02激光器、Nd: YAG激 光器、碟型激光器、光纖激光器或半導體激光器。
3、 根據(jù)上述焊接方法，復(fù)合熱源中電弧可以是TIG電弧、單絲GMAW電弧，雙絲GMAW 電弧、MAG電弧以及具有波形控制的氣體保護焊電弧。
4、 根據(jù)上述的焊接方法，本焊接方法中的高強或超高強鋼可以是低合金、中合金以 及采用TMCP技術(shù)和調(diào)質(zhì)處理后的高強或超高強鋼。
本發(fā)明的焊接方法與常規(guī)電弧焊方法相比具有如下優(yōu)點
在保證焊接接頭綜合性能高于常規(guī)弧焊方法得到的焊接接頭的條件下，可以實 現(xiàn)高強或超高強的無預(yù)熱或低預(yù)熱焊接， 一般而言，對于厚度《15mm的高強或超高 強鋼可以進行無預(yù)熱焊接，對于厚度〉15mm的高強或超高強鋼可以實現(xiàn)低預(yù)熱焊接， 與常規(guī)弧焊相比，預(yù)熱溫度可以降低50%左右。


圖1是本發(fā)明的激光一電弧復(fù)合熱源焊接方法的示意圖，
圖1中1高強或超高強鋼工件，2激光束，3電弧，4電弧焊槍，5焊絲，6焊縫； 箭頭表示焊接方向，h為光絲距離，表示激光斑點與電弧焊絲之間的距離，e表示焊 絲4與水平面之間的夾角。
在激光-電弧復(fù)合熱源焊接過程中，當激光功率超過800W后熔池內(nèi)會產(chǎn)生激光匙 孔，激光匙孔是一個溫度極高體熱源，匙孔內(nèi)的溫度高達數(shù)千度，如此高溫的體熱 源存在于熔池中，使得熔池金屬的表面張力降低，熔池金屬的流動性增加，同時由 于匙孔內(nèi)金屬蒸汽的強烈揮發(fā)，在匙孔內(nèi)產(chǎn)生較強的金屬蒸發(fā)反作用力及飽和蒸氣 壓力，從而使得激光-電弧復(fù)合熱源焊接熔池金屬的流動要比常規(guī)弧焊熔池金屬的流 動更加劇烈。在此復(fù)合熱源工藝特點的基礎(chǔ)上，采用激光在前電弧在后的復(fù)合方式， 適當增加光絲間距h，使h在3-7mm范圍內(nèi)，這樣復(fù)合熱源焊接的熔池將會拉長，同時 適當減小電弧焊槍4與水平面間的夾角0 ， 0為45° 60°最佳，使得電弧力在水平 方向的分力增大，由于激光-電弧復(fù)合熱源焊接熔池金屬的表面張力降低，熔池金屬 的流動性增強，因此在電弧力水平分力的作用下，熔池金屬出現(xiàn)劇烈振蕩，甚至出 現(xiàn)"浪涌"現(xiàn)象。此外，由于光絲間距的增大，致使熔池變長，增加了熔池金屬的 振蕩距離，使得熔池的"浪涌"現(xiàn)象更為劇烈。熔池的劇烈流動會不斷地對焊接熔 池凝固區(qū)域進行沖刷，在一定程度上可以打碎結(jié)晶凝固前沿的枝晶組織，防止粗大
枝晶組織的產(chǎn)生，從而能夠細化晶粒，改善焊縫金屬組織。這種由于熔池金屬劇烈 流動而改善焊縫結(jié)晶組織的原理與鑄造工業(yè)中半固態(tài)成型技術(shù)的原理是類似的。利 用激光-電弧復(fù)合熱源焊接的工藝冶金特點，通過增大光絲間距、減小焊槍傾角，可 以細化激光-電弧復(fù)合熱源焊縫金屬組織，將該焊接方法應(yīng)用于高強或超高強鋼的焊 接中，在很大程度上可以改善焊縫金屬的冷裂紋敏感性。
此外，在激光-電弧復(fù)合熱源焊接過程中，增大光絲間距，可以增大激光-電弧 復(fù)合熱源焊接熔池的大小，使得熔池金屬的凝固時間變長，并且由于激光熱源的加 入使得在其他焊接條件相同的情況下， 一次焊接熱循環(huán)中t8/5時間增加，熔池金屬的 冷卻速度變得緩慢，這樣可以降低焊縫金屬的殘余應(yīng)力。同時，1:8/5時間增加，也可 增加氫的逸出，減少焊縫金屬的擴散氫含量。
通過上述措施，利用激光-電弧復(fù)合熱源焊接可以改善到接頭的組織及殘余應(yīng)力 分布，同時由于復(fù)合熱源焊縫的熔深相對較大，與常規(guī)弧焊焊縫相比，焊后作用于 復(fù)合熱源焊縫橫截面上的平均拘束應(yīng)力降低，因此在其他焊接條件及拘束條件相同
的情況下，可以改善焊縫金屬的冷裂紋敏感性。在采用該方法焊接高強或超高強鋼 時，可以采用不預(yù)熱或者低預(yù)熱而達到甚至高于常規(guī)弧焊高溫預(yù)熱的焊接效果。
具體實施例方式
試驗所用的激光器為德國HAAS公司生產(chǎn)的HL2006D型Nd: YAG固體激光器，最 大輸出功率2. 6kW，輸出波長為1. 06 ix m的連續(xù)波激光，采用焦距為200 的聚焦透 鏡；電弧焊機為奧地利Fonius公司生產(chǎn)的TPS5000型數(shù)字化GMA焊接電源及送絲機； 選用哈爾濱焊接研究所自行開發(fā)研制的直徑為1.2的HS-80低合金高強鋼焊絲(強 度等級80 kg級)；試驗所用高強鋼母材分別為12 mra厚的JFE980S低合金高強鋼(抗 拉強度為980 MPa)、 25 mm厚的HG980低合金高強鋼(抗拉強度為980 MPa)和25 ■ 厚的35CrMnSiA超高強鋼(抗拉強度1700 MPa)。
試驗分為斜Y型坡口焊接裂紋試驗和對接接頭性能試驗。斜Y型坡口焊接裂紋試 驗依據(jù)GB 4675.1-84進行，該試驗通過焊后對表面裂紋率和斷面裂紋率的測定，研 究不同預(yù)熱溫度下，激光-電弧復(fù)合熱源焊接和常規(guī)MAG焊兩種焊接方法的裂紋敏感 性。對接接頭性能試驗主要研究在不預(yù)熱或者低預(yù)熱條件下，復(fù)合熱源焊接接頭的 綜合機械性能，并與常規(guī)弧焊接頭的機械性能做比較。12ram對接接頭性能試板尺寸 為300X350咖，開設(shè)60° "V"型坡口， 25 mm對接接頭性能試板尺寸為300X350 mm，開設(shè)60° "X"型坡口。試驗前對試板進行烘干、打磨、去油污處理，而后進行
焊接。焊后的斜Y型坡口焊接裂紋試驗板放置24小時后再進行機械加工取樣分析；
焊后的對接接頭性能試板直接放入熱處理爐加熱到25(TC并保溫兩小時進行消氫處 理，而后隨爐冷卻，待冷卻到室溫后再進行機械加工取樣，進行機械性能測試分析。
斜Y型坡口焊接裂紋試驗主要焊接規(guī)范參數(shù)如下
常規(guī)MAG焊焊接速度0. 5m/min，送絲速度8. 0 m/min，焊接平均電流226 A， 電弧平均電壓26.8V，干伸長為16mm,焊接過程用80%Ar+20%C02混合氣保護，氣體 流量為18L/min，弧焊焊槍與水平方向的夾角為45° 。
復(fù)合焊激光功率2000W，離焦量+2mm，光絲間距為5mm，電弧及其它參數(shù)同上。
復(fù)合焊對接接頭性能試驗主要焊接規(guī)范參數(shù)焊接速度0. 8m/min，送絲速度10. 0 m/min,焊接平均電流279A，電弧平均電壓28.4V，激光功率2000W，離焦量+2 mm， 光絲間距為5mra，干伸長為16mm，弧焊焊槍與水平方向的夾角為45° ，焊接過程用 80。/。Ar+2(^C02混合氣保護，氣體流量為18 L/min，層間溫度控制在120土10。C。
常規(guī)MAG焊對接接頭性能試驗主要焊接規(guī)范參數(shù)焊接速度0.33 m/min，送絲 速度10.0m/min，焊接平均電流270 A，電弧平均電壓30V，干伸長為16國，弧焊 焊槍與水平方向的夾角為45。，焊接過程用8(mAr+20y。CO2混合氣保護，氣體流量為 18 L/min，層間溫度控制在120±l(TC。
對于12 mm厚的JFE980S高強鋼，斜Y型坡口焊接裂紋試驗結(jié)果顯示在無預(yù)熱 焊接條件下，復(fù)合熱源焊接試樣的表面裂紋率和斷面裂紋率均為0 (無裂紋)，而常 規(guī)MAG焊接試樣的表面裂紋率和斷面裂紋率均為100% (完全開裂)，焊前預(yù)熱6(TC 的常規(guī)MAG焊接試樣的表面裂紋率和斷面裂紋率均為O (無裂紋)。對接接頭性能試 驗結(jié)果顯示在無預(yù)熱焊接條件下，復(fù)合熱源焊接試樣的抗拉強度為942MPa， -20 t下焊縫的平均沖擊功為96.7J，而常規(guī)MAG焊接試樣的抗拉強度為799 MPa， -20 'C下焊縫的平均沖擊功僅為37 J，焊前預(yù)熱6(TC的常規(guī)MAG焊接試樣的抗拉強度為 753 Mpa， -20。C下焊縫的平均沖擊功僅為67 J。綜合分析結(jié)果表明，對于12 mm厚 的JFE980S高強鋼，采用適合于高強或超高強鋼焊接的激光-電弧復(fù)合熱源焊接新方 法可以在焊前不預(yù)熱的條件下直接進行焊接而不產(chǎn)生開裂，并且得到的復(fù)合熱源焊 接接頭的綜合性能要優(yōu)于常規(guī)MAG焊接在必要預(yù)熱溫度(6(TC)下得到接頭的綜合 機械性能。
對于25mm厚的HG980高強鋼，斜Y型坡口焊接裂紋試驗結(jié)果顯示焊前無預(yù)熱 得到的復(fù)合熱源焊接試樣的平均裂紋率均為80%，而焊前無預(yù)熱得到的常規(guī)MAG焊接 試驗的平均裂紋率為100%;但焊前預(yù)熱到6(TC后復(fù)合熱源焊接試樣的裂紋率已降為 0，但此溫度下常規(guī)MAG焊接試樣的表面裂紋率約為60%，斷面裂紋率約為80%，只 有當預(yù)熱溫度升高到IO(TC時，常規(guī)MAG焊接試樣的表面裂紋率和斷面裂紋率均降為 0。也就是說，對于25 mm厚的HG980高強鋼，激光-電弧復(fù)合熱源焊接的必要預(yù)熱 溫度為60。C，而常規(guī)MAG焊接的必要預(yù)熱溫度為IO(TC。對接接頭性能試驗結(jié)果顯 示在6(TC預(yù)熱溫度下，復(fù)合熱源焊接頭的綜合機械性能同樣優(yōu)于IO(TC預(yù)熱溫度 下常規(guī)MAG焊接接頭的綜合機械性能。
對于25 mm厚的35CrMnSiA超高強鋼，斜Y型坡口焊接裂紋試驗結(jié)果顯示 激光-電弧復(fù)合熱源焊接的必要預(yù)熱溫度為12(TC，而常規(guī)MAG焊的必要預(yù)熱溫度 為20(TC。對接接頭性能試驗結(jié)果顯示在120'C預(yù)熱溫度下，復(fù)合熱源焊接接頭的 綜合機械性能也同樣優(yōu)于20(TC預(yù)熱溫度下常規(guī)MAG焊接接頭的綜合機械性能。
權(quán)利要求
1.一種高強或超高強鋼激光—電弧復(fù)合熱源焊接方法，其特征在于，1)當激光功率超過800W時，激光束(2)的熔池形成“激光匙孔”，熔池金屬的流動性增加；2)沿焊接方向采用激光束(2)在前電弧(3)在后的復(fù)方式，并且采用較大的光絲間距，光絲間距h為3-7mm，這樣復(fù)合熱源形成的熔池被拉長，熔池金屬的凝固變緩；3)采用電弧焊槍(4)與水平面夾角θ為45°～60°；在以上各因素共同作用下復(fù)合熱源的熔池尺寸增加，熔池產(chǎn)生“浪涌”現(xiàn)象，造成熔池金屬的劇烈振蕩。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強或是或超高強鋼激光一電弧復(fù)合熱源焊接方 法，其特征在于，復(fù)合熱源所用的激光器可以是C02激光器、Nd: YAG激光器、碟 型激光器、光纖激光器或半導體激光器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強或超高強鋼激光一電弧復(fù)合熱源焊接方法， 其特征在于，復(fù)合熱源中電弧可以是TIG電弧、單絲GMAW電弧，雙絲GMAW電弧、 MAG電弧以及具有波形控制的氣體保護焊電弧。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強或超高強鋼激光一電弧復(fù)合熱源焊接方法， 其特征在于，本焊接方法中的高強或超高強鋼可以是低合金、中合金以及采用TMCP 技術(shù)和調(diào)質(zhì)處理后的高強或超高強鋼。
全文摘要
本發(fā)明提出的一種新的高強或超高強鋼激光—電弧復(fù)合熱源焊接方法，屬于高強或超高強鋼焊接技術(shù)領(lǐng)域，本方法要解決高強或超高強鋼焊接中為防止冷裂紋的產(chǎn)生需采用較高溫度進行預(yù)熱的技術(shù)問題。本發(fā)明的焊接方法主要包括激光功率高于800W，沿焊接方向采用激光(2)在前電弧(3)在后的復(fù)合形式，光絲間距h控制在3-7mm，電弧焊槍(4)與水平面夾角θ為45°～60°。用此方法焊接時，復(fù)合熱源焊接熔池被拉長，熔池的振蕩加劇，使得熔池金屬的凝固速度降低、晶粒細化，從而降低了高強或超高強鋼焊接過程中的冷裂紋敏感性。本發(fā)明的焊接方法可以降低高強或超高強鋼焊接的預(yù)熱溫度，甚至可以實現(xiàn)高強的無預(yù)熱焊接。
文檔編號B23K28/02GK101367157SQ20081022374
公開日2009年2月18日 申請日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者于洪軍, 卜大川, 徐孝福, 兵 杜, 林尚揚, 彬 滕, 威 王, 王旭友, 秦國梁, 穆瑞驥, 振 雷 申請人:機械科學研究院哈爾濱焊接研究所